DE3528673C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche ist aus der DE-PS 27 59 647 bekannt.

Diese Druckschrift beschreibt eine Stromquelle zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug, enthaltend eine Batterie und eine Vielzahl von im Fahrzeug angeordne­ ten Einrichtungen, die mangels einer Lichtmaschine, die Batterie nachladen, beispielsweise eine Solarzellenan­ ordnung, eine Brennstoffzelle und Bremsgeneratoren, die beim Abbremsen des Fahrzeugs Strom erzeugen. Die Batterie ist von einer kunstharzgetränkten Glasfi­ bermatte ummantelt, in die elektrische Heizdrähte ein­ gelegt sind. Über die Stromversorgung dieser Heizdräh­ te enthält die Druckschrift keine Angaben.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Stromquelle, die in einem Kraftfahrzeug der Stromver­ sorgung des Anlassers einer Brennkraftmaschine dienen soll. Es ist bekannt, daß beim Anlassen einer Brennkraft­ maschine bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, wie sie beispielsweise unter arktischen Bedingungen herrschen, von der Anlasserbatterie eine besonders ho­ he Leistung verlangt wird, weil bei solchen Temperatu­ ren die Schmiermittel der Brennkraftmaschine hoch vis­ kos sind und dem Anlaßvorgang eine hohe innere Rei­ bung entgegensetzen und außerdem die Zündeigen­ schaften des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft- Kraftstoff-Gemischs relativ schlecht sind, so daß der Anlaßvorgang unter Umständen mehrere Kurbelwel­ lenumdrehungen erfordert. Unglücklicherweise hat eine übliche Bleibatterie bei sehr niedrigen Temperaturen eine beschränkte Kapazität, so daß unter den geschil­ derten Bedingungen unglückliche Umstände zusam­ mentreffen. Aber auch bei sehr hohen Umgebungstem­ peraturen, die man beobachten kann, wenn ein Kraft­ fahrzeug während einer längeren Zeitdauer unter star­ ker Sonneneinstrahlung abgestellt wird, tritt ein Kapa­ zitätsabfall an einer Bleibatterie auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromquelle der eingangs genannten Art anzugeben, die auch bei tiefen Umge­ bungstemperaturen eine zum Anlassen eines Kraftfahr­ zeugs ausreichende Leistung abzugeben in der Lage ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung, mit denen unter anderem auch dem ungünstigen Einfluß hoher Umgebungstem­ peraturen Rechnung getragen wird, sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer Alternative kann die die Temperatur des Elektrolyts einstellende Einrichtung anstelle der durch die Elektrizitätsquelle mit Leistung versorgten elektrischen Heizeinrichtung ein katalytisches Reak­ tionsgerät enthalten, das die Reaktion von Gasen er­ leichtert, die aus dem beim Laden der Batterie innerhalb der Batterie stattfindenden elektrochemischen Prozeß entstammen, sowie Wärmeübertragungsteile aufweisen, die zum Ableiten der Reaktionswärme aus dem katalyti­ schen Reaktionsgerät zu dem Elektrolyt innerhalb der Batterie dienen.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Er­ findung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gehäu­ ses, das eine Batterie sowie eine Brennstoffzelle umgibt, die die Hauptbestandteile eines ersten Ausführungsbei­ spiels einer elektrischen Stromquelle gemäß der vorlie­ genden Erfindung darstellen;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm des ersten Aus­ führungsbeispiels;

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Steuerprogramms, das in einer in Fig. 2 gezeigten Steuereinheit abgespeichert ist;

Fig. 3 A ein Flußdiagramm eines Unterprogrammes;

Fig. 4(a) eine Draufsicht auf eine in der Brennstoff­ zelle gemäß Fig. 2 verwendeten Brennstoffelektrode;

Fig. 4 (b) ein Querschnitt längs der Linie IV-IV gemäß Fig. 4 (a);

Fig. 5(a) eine der Fig. 4(a) entsprechende Darstel­ lung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brenn­ stoffelektrode;

Fig. 5 (b) ein Querschnitt längs der Linie V-V gemäß Fig. 5 (a);

Fig. 6 eine diagrammartige Querschnittsdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer Brenn­ stoffzelle, die die in Fig. 2 gezeigte Brennstoffzelle er­ setzen kann;

Fig. 7 eine diagrammartige Draufsicht, teilweise in Querschnittsdarstellung, eines zweiten Ausführungsbei­ spiels einer elektrischen Stromquelle; und

Fig. 8 eine veränderte Ausführungsform einer Batte­ rie, die die in Fig. 2 gezeigte Batterie ersetzen kann.

Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 1, das eine Batterie und eine Elektrizitätsquelle in Form einer Brennstoffzelle auf­ nimmt, wobei diese Bestandteile die Hauptelemente ei­ ner elektrischen Stromquelle gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. Von der Oberseite des Gehäuses 1 aus erstreckt sich eine positive und eine negative Anschluß­ klemme 2, 3 der Batterie. Das Bezugszeichen 4 bezeich­ net eine Klappe zum Verschließen einer Öffnung, die im Deckel des Gehäuses 1 zum Zuführen von Brennstoff zur Brennstoffzelle vorgesehen ist. Eine Mehrzahl von schlitzähnlichen Öffnungen 5 ist in der Vorderwand des Gehäuses 1 ausgebildet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, durch die Luft zur Brennstoffzelle zugeführt wird und Kohlendioxyd von der Brennstoffzelle abgeführt wird. Eine Auslaßröhre 6 erstreckt sich von einem Teil der Seitenwand des Gehäuses 1 in der Nähe des Bodens des Gehäuses zum Ablassen von Wasserdampf oder Was­ ser, das von einer Kondensation in der Brennstoffzelle stammt.

Die Fig. 2 zeigt die Batterie 7 und die Brennstoffzelle 9 innerhalb des Gehäuses 1 in diagrammartiger Darstel­ lung in Verbindung mit einem Brennstofftank 10, einem Umschalter bzw. Betriebsartauswahlschalter 11, einem Detektor in der Form eines Strommessers 12, einer Steuereinheit 13, einem Zündschalter 14 für den Motor des Kraftfahrzeugs, für das die elektrische Stromquelle gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Batterie 7 enthält innerhalb eines Behälters 71 einen Elektrolyten, wie beispielsweise verdünnte Schwefel­ säure. In den Elektrolyten sind eine negative Elektrode 72 aus Bleischwamm und eine positive Elektrode 73 aus Bleidioxyd sowie eine Trennvorrichtung 74 eingetaucht, die zwischen den beiden Elektroden 72, 73 angeordnet ist. Ebenfalls ist in den Elektrolyten ein Heizgerät 75 eingetaucht, das aus korrosionsbeständigem Kohlen­ stoff besteht. Um die Temperatur des Elektrolyten zu messen, ist ein Temperaturfühler in der Form eines Thermistors 76 vorgesehen.

Die Brennstoffzelle 9 enthält innerhalb eines Behäl­ ters 91 eine elektrolytische Lösung aus verdünnter Schwefelsäure und Methanol, das als Brennstoff ver­ wendet wird. Innerhalb des Behälters 91 sind eine Elek­ trode 92, die eine elektrochemische Oxydation des Me­ thanols bewirkt, ferner eine Sauerstoffelektrode 93, die eine elektrochemische Reduktion des Sauerstoffs in der Luft herbeiführt, und eine Membran 94 in dem Brenn­ stoff zwischen den Sauerstoffelektroden 92 und 93 an­ geordnet.

Wie in den Fig. 4 (a) und 4 (b) dargestellt ist, beinhal­ tet die Brennstoffelektrode eine sehr dünne Platte 92 a, die aus Graphit besteht und eine Dicke in der Größen­ ordnung zwischen 0,5 und 1,0 mm aufweist. Aus Grün­ den der Vibrationsfestigkeit ist der Rand der Graphit- Platte 92 a mit einem stromsammelnden verstärkten Rahmen 92 b eingefaßt, dessen eine Seite durch ein stromsammelndes Netzwerk 92 c getragen wird. Das Netzwerk 92, das als Tragstruktur für die Graphitplatte 92 a dient, kann durch sich kreuzende Drähte 92 d ersetzt werden, wie es in den Fig. 5 (a) und 5 (b) dargestellt ist. jeder der Drähte 92 d hat einen Durchmesser von 0,1 bis 0,3 mm und ist in die Graphitplatte 92 a eingebettet.

Ein elektrisch leitfähiges Metall ist durch Aufdamp­ fung auf der Graphitplatte 92 a niedergeschlagen.

Wiederum Bezug nehmend auf Fig. 2 enthält der Brennstofftank 10 Methanol, das der Brennstoffzelle 9 zuzuführen ist.

Der Umschalter 11 hat ein Paar schwenbkare Kon­ taktbalken 11 a, 11 b und drei Kontaktpaare a, a′, b, b′ und c, c′. Die Kontakte a, a′ sind elektrisch an die negati­ ve bzw. positive Elektrode 72, 73 der Batterie 7 ange­ schlossen. Die Kontakte b, b′ sind elektrisch über Lei­ tungen 8 mit dem Heizgerät 75 verbunden. Die Kontak­ te c, c′ sind elektrisch mit den Brennstoff- und Sauer­ stoff-Elektroden 92 und 93 der Brennstoffzelle 9 ver­ bunden. Die Kontaktbalken 11 a, 11 b sind um die Kon­ takte c, c′ herum schwenkbar, und zwar in eine Auflade­ stellung, die durch die durchgezogenen Linien darge­ stellt ist, bei der die Konktakte a, a′ elektrisch mit den Kontakten c, c′ in Verbindung stehen, bzw. in eine Heiz­ stellung, die durch die unterbrochenen Linien darge­ stellt ist, in der die Kontakte b, b′ elektrisch mit den Kontakten c, c′ verbunden sind, und auch in eine geöff­ nete, neutrale Stellung (nicht dargestellt), in der weder die Kontakte a, a′ noch die Kontakte b, b′ elektrisch mit den Kontakten c, c′ in Verbindung stehen. Wenn der Umschalter 11 in der Ladestellung ist, sind die negative und positive Elektrode 72, 73 elektrisch mit der Brenn­ stoffelektrode 92 und der Sauerstoffelektrode 93 derart verbunden, daß ein Strom zu der Batterie 7 hin fließt und diese lädt. Da die Stromstärke, die durch den Strom­ messer 12 gemessen wird, mit zunehmender Aufladung der Batterie abnimmt, stellt das Ausgangssignal des Strommessers 12, das zur Stromstärke proportinal ist, den Grad der Aufladung der Batterie 7 dar. Das Aus­ gangssignal des Strommessers 12 wird der Steuereinheit 13 zugeführt. In der Heizstellung des Umschalters 11 wird der Strom dem Heizgerät 75 zugeführt, so daß diese die Temperatur des Elektrolyten innerhalb des Behälters 71 der Batterie 7 erhöht. Die Temperatur wird durch den Temperaturfühler 76 gemessen, dessen Aus­ gangssignal der Steuereinheit 13 zugeführt wird. Ein Ausgangssignal des Ein-Aus-Types wird vom Zünd­ schalter 14 der Steuereinheit 13 zugeführt. Die Steuer­ einheit 13 ist eine auf einem Mikrocomputer basierende Steuerung, die, wie üblich, eine Eingangs/Ausgangs- Schnittstelle, einen Lese-Schreib-Speicher (RAM), ei­ nen Festwertspeicher (ROM) und eine zentrale Verar­ beitungseinheit (CPU) aufweist. Die genannten Aus­ gangssignale, die der Steuereinheit 13 zugeführt wer­ den, werden in digitale Signale umgewandelt, bevor sie in der CPU verarbeitet werden. Der ROM speichert ein Steuerprogramm, das nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm gemäß Fig. 3 beschrieben wird. Die Steuereinheit 13 erzeugt ein Steuersignal, mit dem der Umschalter 11 in eine seiner drei Stellungen ge­ bracht wird, d. h. in die Aufladestellung, in die Heizstel­ lung und in die ausgeschaltete, neutrale Stellung.

Bezugnehmend auf die Fig. 3 und 3A, und insbeson­ dere auf Fig. 3 wird bei Ausschalten des Zündschalters 14 und Anhalten des Motors durch die Steuereinheit 13 ein Befehlssignal erzeugt, mit dem der Umschalter 11 in die Ladestellung gebracht wird (siehe Programmschrit­ te S-10 und S-12). Als Ergebnis hiervon wird die Batterie 7 von der Brennstoffzelle 9 geladen. Die durch den Strommesser 12 gemessene Stromstärke des ladenden Stromes I wird im Programmschritt S-14 gelesen. Fer­ ner wird die Temperatur des Elektrolyten der Batterie 9 durch den Temperaturfühler 76 gemessen und im Pro­ grammschritt S-16 gelesen. Der Ladezustand der Batte­ rie 7 wird durch das Strommeßgerät 12 ermittelt, ob­ wohl er auch auf andere Weise bestimmt werden kann. Nach dem Durchführen dieser Verfahrensschritte wird der Schritt S-18 ausgeführt, bei dem ermittelt wird, ob oder ob nicht die Stromstärke des ladenden Stromes I gemäß Schritt S-14 unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, der beispielsweise 0,2 A betragen kann. Wenn die Stromstärke des Stromes I unterhalb von 0,2 A liegt, ermittelt die Steuereinheit 13 einen ausreichen­ den Ladezustand der Batterie und führt den Programm­ schritt S-20 durch, bei dem ermittelt wird, ob oder ob nicht die Elektrolyttemperatur Tunterhalb eines vorbe­ stimmten Wertes von 15°C liegt. Wenn die Temperatur nicht unterhalb von 15°C liegt, wird der Programm­ schritt S-22 ausgeführt, bei dem die Steuereinheit 13 ein Befehlssignal erzeugt, durch das der Umschalter 11 in die neutrale Stellung gebracht wird. Wenn die Prüfung im Programmschritt S-20 zu einem positiven Ergebnis führt, wird der Programmschritt S-24 ausgeführt, in dem die Steuereinheit 13 ein Steuersignal erzeugt, mit dem der Umschalter 11 in die Heizstellung gebracht wird. Dies bewirkt einen Stromfluß durch das Heizgerät 75 und damit ein Aufheizen des Elektrolyten innerhalb der Batterie 7. Als Ergebnis hiervon steigt die Elektrolyt­ temperatur Tan. Der Anstieg der Temperatur Twird in den Programmschritten S-26 und S-28 überwacht. Nachdem die Elektrolyttemperatur T angestiegen ist und einen vorbestimmten Temperaturwert von 15°C erreicht oder überschritten hat, wird die Entscheidung im Programmschritt S-28 positiv getroffen, so daß der Umschalter 11 im Programmschritt S-22 geöffnet wird.

Wenn die Entscheidung im Programmschritt S-18 ne­ gativ ausfällt und der Grad der Batterieladung der Bat­ terie 7 unzureichend ist, fährt die Steuerung mit dem Programmschritt S-30 fort, bei dem geprüft wird, ob oder ob nicht die Elektrolyttemperatur T unterhalb ei­ nes vorbestimmten Wertes von 15°C liegt. Wenn die Elektrolyttemperatur T 15°C übersteigt und demge­ mäß hoch genug ist, obwohl der Aufladungsgrad der Batterie unzureichend ist, werden die Programmschritte S-32 und S-34 ausgeführt, bei denen der ladende Strom I gemessen bzw. gelesen und mit einem vorbestimmten Wert von 0,2 A verglichen wird, um zu ermitteln, ob die Batterie 7 auf einen ausreichend hohen Grad geladen ist. Daher wird die Ladestellung des Umschalters 11, die im Programmschritt S-12 begonnen wurde, beibehalten, bis der Ladestrom i unter 0,2 A sinkt. Wenn der Ladestrom I niedriger als 0,2 A geworden ist (Programmschritt S-34) wird der Umschalter 11 im Programmschritt S-22 geöff­ net, wodurch die Ladebetriebsart beendet wird. Wenn die Entscheidung im Programmschritt S-30 positiv aus­ fällt, was bedeutet, daß der Ladegrad der Batterie 7 unzureichend ist, und wenn gleichzeitig die Elektrolyt­ temperatur niedrig ist, fährt die Programmsteuerung mit dem Schritt S-36 fort, bei dem das in Fig. 3 A gezeig­ te Unterprogramm ausgeführt wird. Zweck dieses Un­ terprogramms ist ein Einstellen des Umschalters 11 in die Ladestellung oder Heizstellung abwechselnd, bis die Batterie 7 ausreichend geladen ist und die Elektrolyt­ temperatur einen ausreichenden Wert erreicht hat.

In Abweichung hiervon ist es möglich, den Heizbe­ trieb beizubehalten, bis die Elektrolyttemperatur aus­ reichend angestiegen ist, um daraufhin die ladende Be­ triebsart einzuschalten, um die Batterie auf einen ausrei­ chenden Pegel aufzuladen.

Gemäß Fig. 3 A wird ein Zeitgeberwert TM eines Zeitgebers auf 0 (Null) im Programmschritt S-40 einge­ stellt, was ein Starten des Zählvorganges des Zeitgebers veranlaßt. Anschließend wird der Zeitgeberwert TM in dem Programmschritt S-42 gelesen und mit einer vorbe­ stimmten Zeitdauer TM 1 im Programmschritt S-44 ver­ glichen. Wenn der Zeitgeberwert TM niedriger als TM′1 ist, geht die Steuerung zurück zum Programm­ schritt S-42, woraufhin die Ausführung der Programm­ schritte S-42 und S-44 wiederholt wird, bis die Entschei­ dung im Programmschritt S-44 positiv ausfällt, wenn der Zählwert TM gleich oder größer als TM 1 wird. Daher wird die Ladestellung des Umschalters 11, die im Pro­ grammschritt S-10 eingestellt worden ist, über die vor­ bestimmte Zeitdauer TM 1 beibehalten. Nach Verstrei­ chen der vorbestimmten Zeitdauer TM 1 wird die Lade­ stromstärke I im Programmschritt S-45 gelesen und der Zeitgeberwert TM auf 0 (Null) im Prgrammschritt S-48 rückgesetzt. Daraufhin wird der Zeitgeberwert TM im Programmschritt S-50 gelesen und mit einer vorbe­ stimmten Zeitdauer TM2 im Programmschritt S-52 ver­ glichen. Da anfänglich der Zeitgeberwert TM niedriger als TM 2 ist, geht die Steuerung vom Programmschritt S-52 zum Programmschritt S-54, in dem der Umschalter 11 auf die Heizstellung gebracht wird, bevor die Steue­ rung zurückgeht zum Programmschritt S-50. Die Aus­ führung dieser Programmschritte S-50, S-52 und S-54 wird wiederholt, bis der Zeitgeberwert TM gleich oder größer als TM 2 wird. Daher hält die Heiz-Betriebsart, die durch den Schalter 11 bewirkt wird, während der vorbestimmten Zeitdauer TM 2 an. Nach Verstreichen der vorbestimmten Zeitdauer TM 2 wird die Elektrolyt­ temperatur Tim Programmschritt S-56 gemessen. Nach Beendigung eines Zyklus einschließlich der Ladebe­ triebsart-Operation während der Zeitdauer TM 1, die der Heizbetriebsart-Operation während der Zeitdauer TM 2 folgt, wird im Programmschritt S-58 geprüft, ob oder ob nicht die im Programmschritt S-46 gemessene Ladestromstärke unterhalb des vorbestimmten Wertes von 0,2 A liegt. Wenn die Antwort im Programmschritt S-58 positiv ausfällt, wird der Programmschritt S-60 ausgeführt, bei dem die im Programmschritt S-56 erhal­ tene Elektrolyttemperatur mit einem vorbestimmten Wert von 15°C verglichen wird. Wenn die Temperatur Tgrößer als 15°C ist, wird das in Fig. 3A gezeigte Un­ terprogramm beendet, woraufhin die Steuerung mit dem Programmschritt S-22 (Fig. 3) fortfährt, bei dem der Umschalter 11 geöffnet wird. Wenn die Prüfung beim Programmschritt S-60 zu einem positiven Ergeb­ nis führt, d. h. wenn die Temperatur noch zu niedrig ist und noch angehoben werden muß, geht die Steuerung zum Programmschritt S-48, um die Ausführung der fol­ genden Programmschritte S-52, S-54 und S-56 zu bewir­ ken, bei denen der Umschalter 11 in die Heizstellung erneut für die vorbestimmte Zeitdauer TM 2 gebracht wird. Ist das Prüfergebnis beim Programmschritt S-58 negativ, wird beim Programmschritt S-62 geprüft, ob oder ob nicht die Temperatur T, die beim Programm­ schritt S-56 gemessen wird, unterhalb des vorbestimm­ ten Wertes von 15°C liegt. Bei negativer Antwort im Programmschritt S-62, d. h. wenn eine Batterieaufla­ dung benötigt wird, obwohl die Elektrolyttemperatur hoch genug ist, wird der Umschalter 11 in die Ladestel­ lung während des Programmschritts S-64 gebracht, woraufhin die Ladebetriebsart-Operation anhält, bis der im Programmschritt S-66 gemessene Ladestrom unter­ halb des vorbestimmten Wertes von 0,2 A liegt (Pro­ grammschritt S-68). Wenn die Prüfung beim Programm­ schritt S-68 ergibt, daß der Strom unterhalb von 0,2 A liegt, wird das in Fig. 3 A gezeigte Unterprogramm be­ endet und der Umschalter 11 im Programmschritt S-22 (Fig. 3) geöffnet. Wenn die Antwort im Programm­ schritt S-62 positiv ausfällt, d. h., wenn die Batterie gela­ den werden muß und die Elektrolyttemperatur angeho­ ben werden muß, geht die Steuerung zum Programm­ schritt S-70, bei dem der Umschalter 11 in die Ladestel­ lung gebracht wird, woraufhin die Ausführung des Pro­ grammschritts S-40 sowie der folgenden Programm­ schritte wiederholt wird, um die Batterie 7 während ei­ ner vorbestimmten Zeitdauer TM 1 zu laden, und um daraufhin den Elektrolyten der Batterie 7 während der vorbestimmten Zeitdauer TM 2 zu erwärmen.

Wenn der Zündschlüssel zum Anlassen des Motors in das Zündschloß gesteckt wird, bewirkt ein Drehen des Zündschalters in die Einschaltstellung ein sofortiges Öffnen des Umschalters 11, um zwangsweise den Lade­ betrieb oder den Heizbetrieb zu beenden.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß als Fol­ ge des Steuerns des Ladens der Batterie und des Aufhei­ zens des Elektrolyten der Batterie in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand und der Temperatur des Elektroly­ ten die elektrische Stromquelle gemäß dieses Ausfüh­ rungsbeispiels sehr gute Anlaß-Charakteristika auf­ weist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird ein verändertes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 9 A beschrie­ ben. Die Brennstoffzelle 9 A weist einen Behälter 15 mit einer elektrolytischen Lösung auf. In der Mitte des Be­ hälters 15 ist eine Brennstoffelektrode 16 in den Elek­ trolyten eingetaucht angeordnet. Um die Brennstoff­ elektrode 16 herum sind Sauerstoffelektroden 17, 17 angeordnet, wobei Ionen-Austauschmembranen 18, 18 zwischen der Brennstoffelektrode 16 und den Sauer­ stoffelektroden 17, 17 angeordnet sind. Innerhalb des Behälters 15 und zwischen den Sauerstoffelektroden 17, 17 und der zugewandten Außenwand des Behälters 15 angeordnet liegt ein wärmespeicherndes Material 19, wie beispielsweise Hydroxid oder Natriumthiosulfat. Um die Wärmestrahlung von dem wärmespeichernden Material 19 nach außen abzuschirmen, ist ein Wärme­ isolationsmaterial 22 zwischen dem wärmespeichernden Material 19 und der angrenzenden Außenwand des Be­ hälters 15 angeordnet. Eine eine Metallplatte aufweisen­ de Wand 21 aus korrosionsbeständigem Material bildet die innere Begrenzung des wärmespeichernden Materi­ als 19. Es sind Wärmetauscherflächen 20 a, 20 b vorgese­ hen, die in dem wärmespeichernden Material 19 einge­ bettet sind und sich durch dieses erstrecken und ande­ rerseits in Kanäle vorstehen, die von Luft durchströmt werden, die bei Lufteintrittsöffnungen 23 eintritt. Die Wärmetauscherflächen 20 a, 20 b bestehen aus demsel­ ben Material wie die plattenartige Metallwand 21. Die plattenartige Metallwand 21 und die Wärmetauscherflä­ chen 20 a, 20 b bewirken eine Verbesserung des Wärme­ übergangs zum wärmespeichernden Material 19. Die Öffnungen 23 ermöglichen nebem dem Luftzutritt auch einen Austritt des erzeugten Gases. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Auslaßöffnung für Kohlendioxyd, das um die Brennstoffelektrode 16 herum erzeugt wird, wobei das Bezugszeichen 25 Auslaßöffnungen für abzu­ lassendes Wasser und nichtumgewandelten Stickstoff, der aus der Reaktion in dem Behälter 15 stammt, be­ zeichnet.

Bei der Anordnung des wärmespeichernden Materi­ als 19, der plattenartigen Metallwand 21 und der Wär­ metauscherflächen 20 a, 20 b wird die innerhalb der Brennstoffzelle 9 A erzeugte Reaktionswärme in dem wärmespeichernden Material 19 über die Wärmetau­ scherflächen 20 a, 20 b und die plattenartige Metallwand 21 gespeichert. Beim Beginnen des Betriebs der Brenn­ stoffzelle 9 A wird die Luft durch Berührung mit den Wärmetauscherflächen 20 a auf Grund der Wärme er­ hitzt, die in dem wärmespeichernden Material 19 ge­ speichert ist, bevor sie die Sauerstoffelektroden 17 er­ reicht, wodurch das Startverhalten der Brennstoffzelle 9 A verbessert wird.

Obwohl bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Pro­ blem des Abfalls der Batterieleistung auf Grund niedri­ ger Temperatur behandelt worden ist, ist die Batterielei­ stung ebenfalls einem erheblichen Abfall bei Tempera­ turen ausgesetzt, die 35°C übersteigen. Eine wirksame Maßnahme, diesem Abfall der Batterieleistung auf Grund der hohen Temperaturen zu begegnen, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert.

Fig. 7 zeigt eine kühlende oder ventilierende Anord­ nung, die dazu dient, den Abfall der Batterieleistung auf Grund hoher Temperaturen zu reduzieren.

Fig. 7 ist eine diagrammartige Draufsicht, bei der ein oberer Gehäuseteil 28 entfernt ist, um eine Batterie 26 innerhalb des Gehäuses 28 zu zeigen. Die Bezugszei­ chen 26 a und 26 b bezeichnen Batterieklemmen, die mit einer Brennstoffzelle 27 verbunden sind. Obwohl dies in der vorliegenden Figur nicht gezeigt ist, ist die Anord­ nung der Batterie 26 in Verbindung mit der Brennstoff­ zelle 27 dieselbe wie diejenige der Batterie 7 mit der Brennstoffzelle 9 gemäß Fig. 2. Damit die Luft um die Batterie 26 herum strömen kann, sind die Gehäusewän­ de des Gehäuses 28 von dieser beabstandet. Eine Luft­ einlaßöffnung 28 a und eine Luftauslaßöffnung 28 b sind an gegenüberliegenden Endwänden des Gehäuses 28 vorgesehen. Innerhalb der Lufteinlaßöffnung 28 a ist ein elektrischer Ventilator 29 angeordnet, um den Zutritt relativ kühler Außenluft in das Gehäuse 28 zu erzwin­ gen, damit diese die Batterie 26 in Richtung zur Luftaus­ laßöffnung 28 b umströmt. Innerhalb der Lufteinlaßöff­ nung 28 a, strömungsmäßig unterhalb des elektrischen Ventilators 29, ist ein Ventil 30 angeordnet, um die Luft­ einlaßöffnung 28 a zu verschließen. Innerhalb der Luft­ auslaßöffnung 28 b ist ein Ventil 31 zum Verschließen derselben angeordnet. Der elektrische Ventilator 29 steht elektrisch mit der Brennstoffzelle 27 über einen Schalter 32 in Verbindung. Die Ventile 30 und 31 wer­ den durch ein Ventilbetätigungsgerät 34 geschlossen bzw. geöffnet. Das Bezugszeichen 36 bezeichnet einen Temperaturfühler, der zum Messen der Lufttemperatur innerhalb des Gehäuses 28 in einer Lage nahe der Batte­ rie angeordnet ist. Ein Ausgangssignal des Temperatur­ fühlers 36, das die gemessene Temperatur anzeigt, wird einer Steuereinheit 13 A zugeführt. Ausgangssignale der Steuereinheit 13 A werden dem Schalter 32 und eben­ falls dem Ventilbetätigungsgerät 34 zugeführt. Die Steuereinheit 13 A, die hier dargestellt ist, entspricht im wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten Steuereinheit 13, mit Ausnahme der oben beschriebenen Verbindung mit dem Temperaturfühler 36, mit dem Schalter 32 und dem Ventilbetätigungsgerät 34. Aus Gründen der Einfach­ heit der Darstellung ist die Zuordnung der Steuereinheit 13 A zur Batterie 26 und zur Brennstoffzelle 27 mittels des Umschalters (der dem Umschalter 11 gemäß Fig. 2 entspricht) nicht dargestellt.

Nachfolgend wird die Betriebsweise unter der An­ nahme kurz beschrieben, daß das in Fig. 7 gezeigte Ge­ rät im Motorraum eines Kraftfahrzeugs eingebaut ist.

Üblicherweise sind die Ventile 30 und 31 geöffnet, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, wobei der Schalter für das elektrische Gebläse geöffnet ist und somit das elektri­ sche Gebläse 29 nicht in Betrieb ist. Wenn das Kraft­ fahrzeug über eine längere Zeitdauer an einem Ort ge­ lassen wird, an dem es einer starken Sonnenstrahlung während einer jahreszeit mit hohen Außentemperatu­ ren ausgesetzt wird, steigen die Temperaturen im Mo­ torraum sehr stark an und bewirken ein erhebliches Selbst-Entladen der Batterie 26, das zu einem erhebli­ chen Abfall der Batteriekapazität führt. Um mit diesem Problem fertig zu werden, schließt die Steuereinheit 13 A bei einer durch den Temperaturfühler gemessenen Temperatur oberhalb des Wertes von 35°C den Schal­ ter 32 für den elektrischen Ventilator, um diesen mittels der Brennstoffzelle 27 zu aktivieren. Daraufhin wird ei­ ne relativ kühle Luft von außerhalb dem Gehäuse 28 über die Lufteinlaßöffnung 28 a für eine Ventilation zu­ geführt, so daß ein starker Anstieg der Temperatur in dem Bereich um die Batterie 26 herum vermieden wird. Als Ergebnis hiervon wird ein Selbst-Entladen der Bat­ terie 26 verhindert.

Wenn die Außentemperatur sehr niedrig ist, wie bei­ spielsweise im Winter, schließt die Steuereinheit 13 A mittels der Ventilbetätigungseinheit 34 die Ventile 30 und 31, um die Luft, die die Batterie 26 umgibt, von der Außenluft zu isolieren, um eine wärmeisolierende Luft­ schicht zu bilden, wenn die durch den Temperaturfühler 36 gemessene Temperatur unterhalb eines zweiten vor­ bestimmten Wertes liegt, der unterhalb des ersten vor­ bestimmten Wertes von 35°C eingestellt ist. Da die Luftschicht als Wärmeisolationsmaterial dient, wird ein Abfall der Temperatur der Batterie 26 unterdrückt, so daß auf wirksame Weise ein Abfall der Batterieleistung verhindert wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird nachfolgend ein verändertes Ausführungsbeispiel der Batterie 7 A be­ schrieben. Diese abgewandelte Batterie unterscheidet sich von der Batterie 7 gemäß Fig. 2 darin, daß anstelle des Heizgerätes 75, das mittels der Brennstoffzelle 9 mit Leistung versorgt wird, ein katalytischer Reaktor 103 verwendet wird, der Wärme durch katalytische Reak­ tion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser erzeugt und ein Wärmeübertragungsglied 104 aufweist, um Wärme zum Elektrolyten von jeder der in Reihe ver­ bundenen Zellen 102 zu übertragen, die innerhalb des Behälters 101 a der Batterie angeordnet sind.

Die Batterie 7 A besteht aus einer Mehrzahl von Zel­ len 102, von denen jede eine positive Elektrodenplatte 102 b aus Bleidioxyd und eine negative Elektrodenplatte 102 c aus Bleischwamm aufweist, die durch eine Trenn­ einrichtung 102 d voneinander getrennt sind, wobei die­ s se Teile im Elektrolyten 102 a eingetaucht sind, der bei­ spielsweise aus verdünnter Schwefelsäure bestehen kann. Der katalytische Reaktor 103 erstreckt sich inner­ halb des Behälters 101 a über sämtliche Zellen 102 und weist einen elektrisch isolierenden Träger 103 b mit ei­ ner Mehrzahl von Teilen 103 a auf, auf denen der Kataly­ sator angeklebt ist. Diese Teile 103 a sind elektrisch von­ einander isoliert. Jeder Teil 103 a ist einer Zelle 102 über ein Wärmeübertragungsglied 104 zugeordnet, das aus einer Kohlenstoffaser besteht, die eine hohe Wärmeleit­ fähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf­ weist.

Die Batterie 7 A ist wahlweise mit einer Brennstoffzel­ le über einen Umschalter unter Steuerung durch eine Steuereinheit verbunden. Der Umschalter, der im vor­ liegenden Beispiel verwendet werden kann, unterschei­ det sich von dem Umschalter 11 gemäß Fig. 2 darin, daß die Heizgerät-seitigen Kontakte b, b′ nicht verwendet werden, da kein Heizgerät vorhanden ist, das durch e­ nen von der Brennstoffzelle zugeführten elektrischen Strom mit Leistung versorgt werden müßte. Die im vor­ liegenden Fall anzuwendende Steuer-Strategie ist rela­ tiv einfach, verglichen mit derjenigen des Ausführungs­ beispiels gemäß Fig. 2, die unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 3A beschrieben worden ist, da der Heizbe­ trieb, der bei der Steuerung gemäß den Fig. 3 und 3A nötig ist, im vorliegenden Fall anders abläuft. Abgese­ hen davon ist der Temperaturfühler 76 in der elektri­ schen Stromquelle mit der Batterie 7 A unnötig.

Nun sei angenommen, daß die Batterie 7 A durch die zugeordnete Brennstoffzelle während eines Betriebszu­ standes geladen wird, bei dem die Temperatur des Elek­ trolyten in der Batterie 7 A sehr niedrig ist, wobei eine Elektrolyse in dem Elektrolyten bei Beendigung des La­ dens der Batterie 7 A auf einen Pegel hervorgerufen wird, der der Batteriekapazität entspricht, was zu einer Erzeugung von Sauerstoffgas an der positiven Elektro­ de 102 b und Wasserstoffgas an den negativen Elektro­ den 102 c im Verhältnis von 1 : 2 führt.

Das Sauerstoffgas und das Wasserstoffgas, die inner­ halb des Behälters 101 a erzeugt werden, reagieren mit­ einander bei Berühren des Katalysators, der an den Tei­ len 103 a angeklebt ist, und erzeugen Wärme Die Reak­ tionswärme wird über die Wärmeübertragungsglieder 104 zum Elektrolyten 102 a der Zellen 102 übertragen, wodurch die Temperatur des Elektrolyten 102 a angeho­ ben wird. Das Anheben der Temperatur der Batterie bewirkt ein Wiederherstellen der Batteriekapazität und beendet die Elektrolyse. Dies ermöglicht ein erneutes Laden. Auf Grund der Temperaturerhöhung des Elek­ trolyten 102 a wird eine Wiederherstellung der Batterie­ kapazität in einem bemerkenswerten Umfang erreicht.

Da die Teile 102, an denen der Katalysator angeklebt ist, durch den elektrisch isolierenden Träger 103 b iso­ liert sind, sind auch die Zellen 102 elektrisch isoliert.

Da der Elektrolyt beim Laden der Batterie erwärmt wird, wird ein Batterie-Laden auf wirksame Weise un­ abhängig davon ausgeführt, wie niedrig die Umge­ bungstemperatur ist.

Claims (10)

1. Stromquelle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Bleibatterie, einer dieser zuge­ ordneten elektrischen Heizeinrichtung und einer Brennstoffzelle zum Nachladen der Bleibatterie, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Heizeinrichtung (75, 104) ist in den Elek­ trolyten der Batterie (7, 7 A) eingetaucht,
• b) zwischen der Brennstoffzelle (9) und den Batterieelektroden sind eine Schalteinrichtung (11) und eine Ladestrommeßeinrichtung (12) angeordnet,
• c) mit der Ladestrommeßeinrichtung (12) ist eine Steuereinheit (13) verbunden, die mittels der Schalteinrichtung (1 1) den Ladestromkreis zwischen der Brennstoffzelle (9) und der Bat­ terie (7) unterbricht, wenn der Ladestrom un­ ter einen vorgegebenen Grenzwert absinkt,
• d) die Steuereinheit (13) ist ferner mit einem Temperatursensor (76) verbunden, der die Temperatur des Elektrolyten der Batterie (7) ermittelt, die Heizeinrichtung (75) ist mit der Schalteinrichtung (11) verbunden, die Schalt­ einrichtung (11) weist eine weitere Schaltstel­ lung (b, b′) auf, in der die Brennstoffzelle (9) mit der Heizeinrichtung (75) verbunden ist, und wird von der Steuereinheit (13) in diese Stellung gesteuert, wenn bei ausreichendem Ladezustand der Batterie (7) die Temperatur des Batterieelektrolyten einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei unzureichendem Ladezustand der Batterie bei einer Temperatur des Batterieelektro­ lyten, die niedriger als der vorgegebene untere Grenzwert ist, die Steuereinheit (13) die Schaltein­ richtung (11) abwechselnd in die Ladestellung (a, a′) und in die Heizstellung (b, b′) schaltet.

3. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei unzureichendem Ladezustand der Batterie bei einer Temperatur des Batterieelektro­ lyten, die niedriger als der vorgegebene untere Grenzwert ist, die Steuereinheit (13) die Schaltein­ richtung (11) in die Heizstellung (b, b′) schaltet, bis der untere Temperaturgrenzwert überschritten ist, und anschließend in die Ladestellung (a, a′) schaltet, bis der vorgegebene Ladestromgrenzwert unter­ schritten ist.

4. Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (9, 9 A) einen Behälter (91) aufweist, innerhalb dessen ein wärmespeicherndes Material (19) befestigt ist, um Wärme einer innerhalb der Brennstoffzelle (9) stattfindenden Reaktion zu spei­ chern, und eine Einrichtung (20 a) zum Aufheizen der zur Brennstoffzelle zutretenden Luft mittels der in der Wärmespeichereinrichtung (19) gespei­ cherten Wärme aufweist.

5. Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Batte­ rie (7) in einem Gehäuse (28) derart angeordnet ist, daß eine Luftschicht um die Batterie (7) herum vor­ handen ist und daß das Gehäuse (28) Endwände mit einem Lufteinlaßtor (28 a) und einem Luftauslaßtor (28 b) aufweist, die zur Luftschicht hin geöffnet sind, eine Ventileinrichtung (30, 31) enthält, um die Luft­ einlaß- und Luftauslaß-Tore (28 a, 28 b) zu schließen, und eine Einrichtung (29) aufweist, um die Luft­ schicht zu ventilieren.

6. Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (9) eine Brennstoffelektrode (92) aufweist, die einen Rahmen (92 b) und eine Graphit- Platte (92 a) aufweist, deren Außenbereich durch den Rahmen (92 b) eingefaßt ist, und eine Einrich­ tung (92 c, 92 d) aufweist, die der Graphit-Platte (92 a) vergrößerte Festigkeit verleiht.

7. Stromquelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zum Verfestigen der Graphit-Platte ein stromsammelndes Netzwerk (92 c) ist.

8. Stromquelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Graphit-Platte (92 a) mecha­ nisch verfestigende Einrichtung elektrisch leitende Metalldrähte (92 d) sind, die in die Graphit-Platte (92 a) eingebettet sind.

9. Stromquelle nach dem Oberbegriff und den kennzeichnenden Merkmalen a) und b) des An­ spruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Ab­ wandlung davon die Heizeinrichtung einen im obe­ ren Abschnitt des Batteriegehäuses (101 a) ange­ ordneten katalytischen Reaktor (103), der die nach voller Aufladung von der Batterie (7 A) elektroly­ tisch entwickelten Gase Wasserstoff und Sauerstoff flammenlos miteinander verbrennt, sowie Wärme­ übertragungsglieder (104) umfaßt, die wärmelei­ tend mit dem Reaktor (103) verbunden und in den Batterieelektrolyten (102 a) eingetaucht sind.

10. Stromquelle nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeübertragungsglieder Koh­ lenstoffasern (104) sind.